Коэффициент полезного действия: что называется в физике, измерение, формула, таблица, примеры

Коэффициент полезного действия или КПД — что это такое

Применение любого механизма всегда связано с совершением работы, которая больше той, что необходима для решения поставленной задачи. Неравенство совершенной и необходимой работ обуславливается наличием различных внутренних сил трения, сопротивления и других, которые препятствуют выполнению работы. По этой причине различают следующие виды работ:

• полная (затраченная) работа;
• полезная работа.

В качестве примера можно рассмотреть подъем груза с массой m на высоту h.

Полезная работа заключается в подъеме груза на высоту, что сопряжено с преодолением силы тяжести. В том случае, когда движение равномерное, полезную работу можно рассчитать следующим образом, используя определенные обозначения:

Ап = F *s = mg * h, где

Ап — это полезная работа,

F — сила, приложенная к телу,

s — путь, пройденный телом,

m — масса тела,

g — ускорение свободного падения,

h — высота.

При достаточной тяжести груза его невозможно поднять ручным методом. В такой ситуации целесообразно воспользоваться механизмом, в том числе, блоком или наклонной плоскостью. Кроме силы тяжести, возможно, в процессе подъема придется преодолеть и другие силы, к примеру, силу трения между грузом и плоскостью.

При выигрыше в силе в любом случае можно наблюдать проигрыш в пути, что также оказывает влияние на работу. Стечение факторов приводит к тому, что совершенная с использованием механизма полная работа превышает полезную работу. Эффективность и продолжительность работы силового агрегата определяется коэффициентом полезного действия (КПД).

В процессе эксплуатации двигателя тепловая энергия, образованная при сгорании топлива, преобразуется в механическую. Для определения коэффициента принимаются во внимание характеристики двигателя. В физике при расчетах используют формулу КПД в виде процентного отношения полезной работы к общей.

Чему равен КПД теплового двигателя

Для определения эффективности тепловых двигателей французский инженер-механик Сади Карно в 1824г. ввел понятие КПД теплового двигателя. Для обозначения КПД используется греческая буква η. Величина η вычисляется с помощью формулы КПД теплового двигателя:

$$η={Аover Q1}$$

Поскольку $ А =Q1 – Q2$, тогда

$η ={1 – Q2over Q1}$

Поскольку у всех двигателей часть тепла отдается холодильнику, то всегда η < 1 (меньше 100 процентов).

Какой максимальный КПД может иметь тепловой двигатель

Талантливый французский ученый и инженер Сади Карно в 1824 году придумал идеальную тепловую машину. В качестве рабочего тела в ней выступал идеальный газ. А сосуд, в который заключен газ, обернут теплоизоляцией, которую можно мысленно снять, когда возникнет такая необходимость.

Проведя мысленный эксперимент, Карно рассчитал, какую часть полученной энергии можно превратить в полезную работу при идеальных условиях. Другими словами, он рассчитал, какой максимально возможный КПД может иметь идеальный тепловой двигатель.

Для КПД идеального двигателя он получил такую формулу:

[large boxed{ eta = frac{ T_{H} — T_{X}}{T_{H}} = 1 — frac{T_{X}}{T_{H}} }]

(large T_{H} left(Kright) ) – температура нагревателя в градусах Кельвина;

(large T_{X} left(Kright) ) – температура холодильника в градусах Кельвина;

Из формулы следует:

Чем больше различаются температуры нагревателя и холодильника, тем выше будет КПД.

Если температура нагревателя сравняется с температурой холодильника, то полезной работы машина не совершит (large eta = 0 ).

Максимальный КПД даже для идеального теплового двигателя всегда меньше единицы.

Температура холодильника не может равняться абсолютному нулю, так как достигнуть абсолютного нуля температуры не получается.

Примечание: В идеальном двигателе нет потерь энергии, так как полностью отсутствует трение между его движущимися частями. В реальных двигателях трение есть, поэтому КПД реальных двигателей всегда ниже, чем КПД идеального двигателя.

Какие функции выполняет каждый элемент

От нагревателя рабочее тело — газ, или пар, получает запас тепловой энергии (рис. 2). Затем, полученная энергия делится на две, как правило, неравные части. За счет одной части совершается работа.

Рис. 2. Функции ключевых элементов тепловых машин

А оставшаяся часть передается холодильнику (например, атмосфере) и рассеивается окружающей средой.

Роль холодильника в тепловом двигателе

Совершая работу, рабочее тело – расширяющийся газ, охлаждается. Температура (T_{x}), до которой газ охладился, называется температурой холодильника.

Так как газ, расширяясь, охлаждается, а при охлаждении энергию нужно куда-то девать, то никакая тепловая машина без холодильника работать не сможет. Чтобы функционировать, тепловая машина обязательно должна отдавать часть тепловой энергии холодильнику.

Обычно температура (T_{x}) немного выше температуры окружающей среды. Но если речь идет о паровых машинах, оснащенных специальным приспособлением для конденсации отработанного пара и его охлаждения – конденсатором, то (T_{x}) может быть несколько ниже температуры окружающей атмосферы (рис. 3).

Рис. 3. Если холодильником служит атмосфера, то температура холодильника выше атмосферной, а если – конденсатор, то температура холодильника ниже температуры окружающей среды

Примечание: Паровой конденсатор применяется только в конструкциях паровых двигателей.

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм (1-2, 4-3) и двух адиабат (2-3, 4-1), изображенная на рисунке 1. В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.

Рисунок 1

Участок 1-2 характеризуется сообщением рабочему телу от нагревателя с температурой Tn количества тепла Qn. При изотермическом процессе запись примет вид:

Qn=Tn(S2-S1) (6), где S1, S2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1.

Видно, что участок 3-4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой Tch идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты -Qch, тогда:

-Qch=Tch(S1-S2) (7).

На какие части делится энергия нагревателя

Мы выяснили, что за счет одной части энергии газ совершает работу. Вторая часть полученной от нагревателя энергии передается холодильнику, который затем рассеивает ее в окружающее пространство (рис. 4).

Эта теплота выбрасывается в атмосферу вместе с отработанным паром, или сгоревшими выхлопными газами турбин и двигателей внутреннего сгорания – то есть, теряется безвозвратно.  Главное то, что никакой газ не превращает свою внутреннюю энергию в работу полностью. Часть энергии неизбежно будет утеряна.

На полезную работу тратится только часть полученной энергии.

Рис. 4. Энергия нагревателя частично расходуется на совершение работы, оставшаяся часть теряется в окружающую среду

Посмотрев на рисунок 4, легко составить связь между энергией нагревателя, работой и энергией холодильника.

[large boxed{ Q_{H} =  Q_{X} + A }]

(large Q_{H} left(text{Дж} right) ) – тепловая энергия, полученная от нагревателя;

(large Q_{X} left(text{Дж} right) ) – тепловая энергия, переданная холодильнику;

(large A left(text{Дж} right) ) – работа, которую совершил расширяющийся газ (пар);

Так как часть энергии теряется, работа всегда будет меньше полученной энергии. Работу и энергию измеряют в джоулях. Работа – это затраченная энергия, то есть, разница между конечной и начальной энергией.

[large boxed{ Q_{H} — left| Q_{X} right| = A }]

Примечание: Полученная энергия берется со знаком «плюс», а утерянная – со знаком «минус». Нам уже известно, что энергия (Q_{X}), переданная холодильнику и утерянная, будет отрицательной. Запишем ее по модулю, чтобы не учитывать в формуле ее знак.

Трактовка понятия в физике

Электрический двигатель, как и другие механизмы, служат для выполнения определенной работы, которую принято называть полезной. При осуществлении запланированной деятельности функционирующее устройство затрачивает энергию, эффективность которой определяют с помощью КПД.

Определение 1

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности работы системы по преобразованию, а также передаче энергии. Это могут быть различные машины и другие устройства.

КПД рассматривают, как взаимоотношение полезно использованной энергии по отношению к количеству энергии, полученной системой.

Формула 1

Математически КПД определяют таким образом:

η (КПД) = А/Q

где А — полезная работа (энергия), а Q — затраченная энергия.

Формула 2

Когда КПД нужно выразить в процентах, используют следующую формулу:

η (КПД) = Ап/Аз * 100%,

где Ап (полезная работа) делится на Аз (затраченную работу) и умножается на 100%.

В данном случае умножение на 100% не несет содержательного смысла, так как 100%=1. По этой причине второй вариант записи формулы является менее предпочтительным (одну и ту же физическую величину выражают в различных единицах, независимо от формул, где она участвует).

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что такое КПД двигателя. Величина КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100 процентов. Чем больше разность температур нагревателя T1 и холодильника Т2, тем больше КПД.

КПД теплового двигателя

Определение 2

КПД теплового двигателя является отношением совершенной полезной работы силового агрегата к энергии, которая получается от нагревателя.

Формула 3

КПД теплового двигателя определяют по формуле:

η (КПД)= Q1-Q2/Q1, где

Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя,

Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику.

Максимальным КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах нагревателя T1 и холодильника T2, характеризуются тепловые двигатели, работающие по циклу Карно. В этом случае максимальный КПД составляет:

ηk = T1-T2 /T1, где

T1 — это температура нагревателя,

T2 — температура холодильника.

Цикл Карно строится на четырех обратимых процессах, два из них основаны на постоянной температуре (изотермические), а два — на постоянной энтропии (адиабатные). 

Суть изометрического расширения строится на том, что в начале работы рабочее тело имеет температуру нагревателя. Когда рабочее тело расширяется, то его температура не падает благодаря передаче от нагревателя. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что расширение осуществляется изотермически, то есть при постоянной температуре. За счет этого объем рабочего тела, которое осуществляет механическую работу, можно увеличить. Мощность энергии при этом возрастает.

Адиабатическое расширение в свою очередь представляет рассоединение рабочего тела от нагревателя. При этом теплообмен с окружающей средой продолжает расширяться. Ключевым моментом является тот факт, что температура тела уменьшается до температуры холодильника. В подобных случаях тело осуществляет механическую работу, а энтропия остается неизменной.

Изометрическое сжатие — это когда рабочее тело приводится в контакт с холодильником и от этого, под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты, начинает изотермически сжиматься. Над телом совершается работа, и его энтропия уменьшается.

Суть адиабатического сжатия заключается в том, что рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остается постоянной.

По закону сохранения энергии и по причине энергетических потерь, которые невозможно устранить, КПД реальных систем в любом случае меньше, чем единица. Таким образом, отсутствует возможность получить полезной работы больше или столько, сколько затрачено энергии. Наглядным примером является расход топлива. Например, из 100 л. только 40 л. выполняют полезную работу, а 60 затрачивается впустую на преодоление различного рода препятствия. 

Что касается закона сохранения энергии в пределах одного пространства энергия не может исчезнуть или появиться ниоткуда. В данном случае она из одной формы переходит в другую.

Примечание 1

Не все характеристики эффективности энергетических процессов соответствуют вышеприведенному описанию. Даже в том случае, когда их традиционно или ошибочно называют «коэффициент полезного действия», данные показатели могут обладать и другими свойствами, в частности, превышать 100 %.

КПД котлов, которые функционируют на топливе органического происхождения, определяют в зависимости от низшей теплоты сгорания. При этом предполагается, что влага продуктов сгорания удаляется из котла в виде перегретого пара. В конденсационных котлах эта влага переходит в конденсат, а теплота конденсации полезно используется.

При расчете КПД по низшей теплоте сгорания показатель может составлять больше единицы. В данном случае целесообразно проводить расчеты по высшей теплоте сгорания с учетом теплоты конденсации пара. Но в этом случае характеристики рассматриваемого котла сложно сопоставить с параметрами других установок.

Преимуществом тепловых насосов, как нагревательной техники, является возможность получать больше теплоты, чем расходуется энергии на совершение ими работы. Холодильная машина способна отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается энергии на организацию процесса. В качестве показателя эффективности машин применяют холодильный коэффициент:

Q2/А = Q2 /Q1-Q2 

где Q — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность);

A — работа или электрическая энергия, которую тратят в процессе.

В случае тепловых насосов применимо понятие коэффициента трансформации:

η = Q1/А= Q1/Q1-Q2, где

Q — тепло конденсации, которое передается теплоносителю;

A — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

При рассмотрении идеальной машины:

η = Q1-Q2/Q1 = T1-T2/T1, где 

T1 — температура нагревателя,

T2 — температура холодильника.

Таким образом, максимально высокой производительностью отличаются холодильные машины, функционирующие на обратном цикле Карно.

Данная величина не ограничена в значении. К этой характеристике достаточно сложно приблизиться на практике. Допустимо значение холодильного коэффициента больше единицы, что не противоречит первому началу термодинамики, так как, кроме учитываемой энергии A, в тепло Q идет и энергия, отбираемая от холодного источника.

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты
, в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту
более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы
, совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину
:

Таким образом, на
-диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа
, совершаемая внешним источником (рис. 4).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Формулы коэффициента полезного действия

Мы уже выяснили, что работа газа всегда меньше полученной теплоты. Чтобы ответить на вопрос, какую часть от полученной теплоты будет составлять работа, составим дробь:

[large frac{A}{Q_{H}}]

(large A left(text{Дж} right) ) – работа газа;

Эту дробь обозначают греческой буквой «эта» (eta) и называют коэффициентом полезного действия (КПД). Так как этот коэффициент дает понятие о том, как соотносятся работа, совершенная газом и, полученная им тепловая энергия.

[large boxed{eta = frac{A}{Q_{H}} }]

Числитель этой дроби всегда меньше знаменателя, математики такие дроби называют правильными. Если КПД теплового двигателя описывается правильной дробью, значит, он не может превышать единицу (рис. 5).

Рис. 5. КПД отвечает на вопрос: какая часть полученной энергии тратится на полезную работу

КПД теплового двигателя не превышает единицу, так как описывается правильной дробью.

Если подставить в числитель выражение для работы, получим развернутое выражение для вычисления КПД:

[large boxed{ eta = frac{ Q_{H} — left| Q_{X} right|}{Q_{H}} }]

Правая часть уравнения – это две дроби, имеющие одинаковые знаменатели. Если записать правую часть в виде отдельных дробей, то можно получить такое соотношение:

[large frac{ Q_{H} — left| Q_{X} right|}{Q_{H}} = frac{Q_{H}}{Q_{H}} — frac{left| Q_{X} right|}{Q_{H}} = 1 — frac{left| Q_{X} right|}{Q_{H}} ]

Подставим его в выражение для КПД и получим еще одну формулу:

[large boxed{ eta = 1 — frac{left| Q_{X} right|}{Q_{H}} }]

Какие реальные КПД у разных типов двигателей

Из приведенных примеров видно, что самые большие значения КПД (40-50%) имеют двигатели внутреннего сгорания (в дизельном варианте исполнения) и реактивные двигатели на жидком топливе.

Рис. 3. КПД реальных тепловых двигателей:.

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя

В качестве идеальной тепловой машины Сади Карно предложил машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная модель Карно работает по циклу (цикл Карно), состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рис. 2. Цикл Карно:.

Напомним:

• Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0);
• Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q = A).

Сади Карно доказал, что максимально возможный КПД, который может быть достигнут идеальным тепловым двигателем, определяется с помощью следующей формулы:

$$ηmax=1-{T2over T1}$$

Формула Карно позволяет вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя
и температуры холодильника
?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна
, а минимальная —
. Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма
. На участке
газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры
и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты
и целиком превращается в работу на этом участке:
.

Адиабата
. В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке
.

При расширении газ совершает положительную работу
, и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия:
.

Изотерма
. Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры
. Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты
и совершает отрицательную работу
.

Адиабата
. Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу
, а изменение внутренней энергии положительно:
. Газ нагревается до исходной температуры
.

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

(3)

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя
и температурой холодильника
.

Так, в приведённом выше примере
имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

В чем измеряется КПД

В электродвигателях коэффициент полезного действия представляет собой взаимоотношение совершаемой (полезной) механической работы по отношению к электрической энергии, которую отдает источник. Для тепловых двигателей, например, КПД является отношением полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.

В случае же с электрическими трансформаторами КПД — это отношение электромагнитной энергии, которая получается во вторичной обмотке, к энергии, используемой первичной обмоткой.

При математическом расчете КПД разные виды энергии и механическая работа выражаются в совершенно одинаковых единицах, исходя из механического эквивалента теплоты. По причине своей общности термин КПД позволяет сравнивать и оценивать с идентичной точки зрения следующие совершенно разные системы:

• атомные реакторы;
• теплоэнергетические установки;
• электрические генераторы и двигатели;
• биологические и другие объекты;
• полупроводниковые приборы.

Коэффициент полезного действия всегда меньше, чем единица. Это обусловлено причиной неизбежности энергетических потерь на трение, нагрев окружающих тел и другие затраты.

Таким образом, КПД выражают в долях энергии, которая была затрачена. Эта величина является безразмерной.